(57)【要約】【課題】連続鋳造中に鋳片の縦割れ欠陥の発生を確実に検知できるようにする。【解決手段】溶鋼湯面から等しい位置の鋳型壁１０の内部において幅方向に複数の測温素子１８を埋設し、任意の測温素子のある時刻ｔｉにおける温度Ｔｉと、Δｔ後における温度Ｔｉ＋１と、両者の変化量Ｔｉ＋１−Ｔｉ［℃］の絶対値と、鋳造速度Ｖｃと、溶鋼湯面−測温素子間の距離Ｌと、鋳型冷却水の水温Ｔｗ［℃］と、を含む次式Ｚ＝√Ｖｃ（Ｔｉ＋１−Ｔｉ）／［｛（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２−Ｔｗ｝２ｋ√Ｌ×Δｔ］により定義されるパラメータＺを幅方向の各測温素子について算出し、いずれかの素子についてパラメータＺが限界値を超えたときに、該素子に対応する幅方向位置の鋳片に縦割れが発生したと判定する。【選択図】      図１
2005007460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鋼湯面から等しい位置の鋳型壁の内部において幅方向に複数の測温素子を埋設し、任意の測温素子のある時刻ｔｉにおける温度Ｔｉと、Δｔ後における温度Ｔｉ＋１と、両者の変化量Ｔｉ＋１−Ｔｉ［℃］の絶対値と、鋳造速度Ｖｃと、溶鋼湯面−測温素子間の距離Ｌと、鋳型冷却水の水温Ｔｗ［℃］と、を含む次式
Ｚ＝√Ｖｃ（Ｔｉ＋１−Ｔｉ）／［｛（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２−Ｔｗ｝２ｋ√Ｌ×Δｔ］
により定義されるパラメータＺを幅方向の各測温素子について算出し、いずれかの素子についてパラメータＺが限界値を超えたときに、該素子に対応する幅方向位置の鋳片に縦割れが発生したと判定することを特徴とする連続鋳造鋼片の表面欠陥検知方法。
【請求項２】
鋳造鋼の固相線温度Ｔｓ［℃］、モールドフラックスの熱伝導率λｐ［Ｗ／ｍＫ］、鋳型銅板の熱伝導率λＭｏｌｄ［Ｗ／ｍＫ］、鋳型先端から測温素子先端までの鋳型厚み方向の距離ｗ［ｍ］、鋳型冷却水による熱伝達率ｈｗ［Ｗ／ｍ２Ｋ］としたときに、前記限界値を、次式
ＺＰ＝２．７７×１０−６／｛（Ｔｓ−Ｔｗ）λｐ（１／ｈｗ＋ｗ／λＭｏｌｄ）｝
で表わされる縦割れ発生の限界値Ｚｐに設定することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造鋼片の表面欠陥検知方法。
【請求項３】
前記各測温素子の幅方向の間隔の最大値を１００ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続鋳造鋼片の表面欠陥検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、連続鋳造鋳片の表面欠陥検知方法に係り、特に連続鋳造法による鋳造中に鋳片の縦割れ欠陥の発生を検知する際に適用して好適な、連続鋳造鋳片の表面欠陥検知方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素含有量が０．０８−０．１４％の、いわゆる中炭素鋼を対象とする連続鋳造では、連続鋳造時に鋳片表面に縦割れが発生し易く、かかる割れの防止対策が図られてきた。
【０００３】
中炭素鋼の連続鋳造において問題となる上記縦割れの発生機構については、従来より種々の研究がなされている。その結果、中炭素鋼において縦割れが発生し易いのは、炭素の含有量が０．０８−０．１４％の鋼に亜包晶変態域があるためで、鋼の凝固過程における変態応力の付加により凝固殻の成長の遅い部分と速い部分に大きな差が生じること、即ち凝固殻成長の不均一度が大きくなることが原因であることが明らかとなっている。そして、この凝固殻成長の不均一度は、鋳型内初期の抜熱量との間に相関があって、鋳型内で緩冷却化すること、鋳型内抜熱の不均一要因であるエアギャップを解消すること、又は鋳型と凝固殻間におけるモールドフラックスフィルムの厚みの変動を抑えること、により緩和できることが既に公知となっている。
【０００４】
縦割れが発生すると、その鋳片は品質不良として手入れを要するため、手入れに要する費用の増大、下工程である圧延工程での操業計画の遅延等の事態を招き、生産性を著しく低下させることになる。
【０００５】
現状、縦割れの有無は、その鋳片が鋳型を通過して１時間程度たった後の疵検査工程で初めて判定されることから、鋳造中にその発生を知ることはできていない。このため、前述のような対策のいくつかを採用してはいるが、特に２ｍ／ｍｉｎを超えるような高速鋳造においては、縦割れを防止するに至っておらず、縦割れが発生した場合には、その発生が判定されるまでに多くの欠陥鋳片を既に生産してしまっていることになり、その被害は大きい。
【０００６】
従来の縦割れ防止対策としては、例えば特許文献１には、鋳型内の抜熱量の分布に着目した検出技術が開示されている。又、特許文献２には、鋳型に埋設した各測温素子の平均温度と各々の測温素子の出力の差分に着目し、いくつかの条件が成立したときに縦割れと判定する方法が開示されている。又、特許文献３には、鋳型幅方向、鋳造方向における測温素子の温度低下を積算して判定する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭６３−５３９０４号公報
【特許文献２】
特開平３−１３８０５７号公報
【特許文献３】
特開平８−１１７９４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１の技術は、検出結果と縦割れ発生が完全に一致せず、課題を残したものとなっており、又、前記特許文献２の方法には、縦割れ発生の閾値を設定することが困難であり、感度を上げるとほぼ正常な鋳片まで縦割れ有りと判定されてしまう難点がある。又、前記特許文献３の技術は、一定の鋳造速度においては高い検出率を示すものの、縦割れ防止アクションや鍋交換等で鋳造速度が減少した場合に誤検知をしてしまう欠点がある。そこで、それを回避するために複雑なロジックを用いてシステム化しているが、誤検知対策として十分とは言えない。
【０００９】
更に、上述のいずれの方法においても、測温素子の埋め込み位置、即ち鋳型壁面から冷却水が流れる冷却（水冷）スリットの位置までの厚み方向のどの位置に測温素子があるか、その伝熱的な感度がどの程度かが考慮されておらず、その上鋳造速度の影響も考慮されていない等、致命的な欠陥が存在する。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、連続鋳造中に鋳片の縦割れ欠陥の発生を確実に検知することができ、結果として高速鋳造時においても大量の欠陥鋳片が生産されてしまうことを防止できる連続鋳造鋳片の表面欠陥検知方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶鋼湯面から等しい位置の鋳型壁の内部において幅方向に複数の測温素子を埋設し、任意の測温素子のある時刻ｔｉにおける温度Ｔｉと、Δｔ後における温度Ｔｉ＋１と、両者の変化量Ｔｉ＋１−Ｔｉ［℃］の絶対値と、鋳造速度Ｖｃと、溶鋼湯面−測温素子間の距離Ｌと、鋳型冷却水の水温Ｔｗ［℃］と、を含む次式
Ｚ＝√Ｖｃ（Ｔｉ＋１−Ｔｉ）／［｛（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２−Ｔｗ｝２ｋ√Ｌ×Δｔ］…（１）
により定義されるパラメータＺを幅方向の各測温素子について算出し、いずれかの素子についてパラメータＺが限界値を超えたときに、該素子に対応する幅方向位置の鋳片に縦割れが発生したと判定することにより、前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明においては、又、鋳造鋼の固相線温度Ｔｓ［℃］、モールドフラックスの熱伝導率λｐ［Ｗ／ｍＫ］、鋳型銅板の熱伝導率λＭｏｌｄ［Ｗ／ｍＫ］、鋳型先端から測温素子先端までの鋳型厚み方向の距離ｗ［ｍ］、鋳型冷却水による熱伝達率ｈｗ［Ｗ／ｍ２Ｋ］としたときに、前記限界値を、次式
ＺＰ＝２．７７×１０−６／｛（Ｔｓ−Ｔｗ）λｐ（１／ｈｗ＋ｗ／λＭｏｌｄ）｝…（２）
で表わされる縦割れ発生の限界値Ｚｐに設定するようにしてもよい。
【００１３】
本発明においては、又、前記各測温素子の幅方向の間隔の最大値を１００ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明は、鋳型壁の内部に溶鋼湯面から等しい位置において幅方向の複数位置に測温素子を埋設し、任意周期毎に各位置における温度の時間変化率を算出する。その時間変化率、鋳造速度等から、使用するモールドフラックスの固相線温度と、鋳型厚み方向において水冷スリット（鋳型先端）から測温素子先端までの距離と、同じく鋳型壁面までの距離等とで定義される鋳型壁と鋳片間の間隙を、測温時点における凝固殻の厚みで割った値に関係するパラメータＺを算出し、幅方向いずれかの位置においてこのパラメータが所定の閾値（限界値）を超えたときに縦割れ発生とすることにより、連続鋳造中に鋳片の縦割れ欠陥の発生を確実に検知できるようにしたものである。
【００１６】
以下、本発明の根拠となった知見について説明する。
【００１７】
鋳造欠陥の一つとして、前述した鋳型内での初期凝固中の局所的な凝固遅れに伴って発生する縦割れには、前駆現象として僅かな鋳片の凹み（以下、デプレッションと称する）が観察される。本発明者はこのデプレッションの長さ、凝固殻（シェル）の厚みに対する深さといった規模を、測温素子の温度変化から推定することにより、縦割れ発生の検知、あるいは予知が可能となることを、数多くの鋳片観察と鋳型銅板（鋳片壁）温度の解析から明らかにした。以下、その具体的方法について説明する。
【００１８】
上述のようにデプレッションの規模、特にその深さが大きいときは、鋳型壁と凝固殻との間にモールドフラックスが侵入し、その部分の熱抵抗が増大する。それに伴い銅板温度が低下するため、基本的には銅板の温度変化を監視することによりデプレッションの検知は可能なはずである。しかしながら、測温素子の埋め込み位置、即ち鋳型壁面から冷却スリット位置までの厚み方向のどの位置に測温素子があり、その伝熱的な感度がどの程度か、あるいは複雑なモールドフラックスを介する伝熱が考慮されていないと、鋳造速度の変化に対応して刻々と変化する熱伝達条件をそのまま検出してしまい、多大な誤差を伴う検知をしてしまう。
【００１９】
本発明では、モデル実験、数値解析を含めた多大な研究の結果として、測温素子埋設位置の影響を除去する方法として、前記数式（１）で示されるデプレッション評価式（パラメータＺ）を導出した。
【００２０】
前記数式（１）について、図１に示す鋳型内初期の鋳造環境モデルを参照しながら説明する。
【００２１】
図１において、鋳型壁を構成する鋳型銅板１０の外側には冷却水が流れる水冷スリット１２が位置し、該銅板１０の内側には連続鋳造される初期段階の鋳片である厚さｄｓｈの凝固殻（シェル）１４が形成されつつあると共に、縦割れに関係する厚さｄｐのモールドフラックスフィルム１６が鋳型鋳片間に形成されている。
【００２２】
この鋳型銅板１０には、該銅板１０の温度を測定するための複数の測温素子１８が、鋳型内溶鋼湯面から同一の距離Ｌの位置において、幅方向に所定の間隔で、その先端が厚さ方向に深さｗになるように埋設されているとする。
【００２３】
一般に、鋳型（銅板）１０に埋設されている測温素子１８の出力する温度は、鋳型鋳片間のモールドフラックスフィルム１６の厚みの増加と共に低下する。即ち、熱抵抗が増大する。
【００２４】
今、図１のモデルにおいて、鋳型冷却水による熱伝導率をｈＷ、鋳型銅板１０の厚さをｘＭｏｌｄ、その熱伝導率をλＭｏｌｄ、モールドフラックスの熱伝導率をλｐ、凝固殻の熱伝導率をλｓｈとすると、総括熱抵抗ＲＴは、次式
ＲＴ＝１／ｈＷ＋ｘＭｏｌｄ／λＭｏｌｄ＋ＲＩｎｔ＋ｄｐ／λｐ＋ｄｓｈ／λｓｈ  …（３）
として求めることができる。なお、式中ＲＩｎｔは、モールドとフラックスの間の熱抵抗である。
【００２５】
又、鋳造鋼の固相線温度をＴＳ、冷却水の水温をＴＷ、実測される銅板１０の温度をＴＴＣとすると、総括熱流速ｑＴを、次式
2005007460.tif 000003
により求めることができる。
【００２６】
この（４）式を、次式（５）、（６）
（１／ｈＷ＋ｘＭｏｌｄ／λＭｏｌｄ＋ＲＩｎｔ＋ｄｐ／λｐ＋ｄｓｈ／λｓｈ）＝（１／ｈＷ＋ｗ／λＭｏｌｄ）（ＴＳ−ＴＷ）／（ＴＴＣ−ＴＷ）  …（５）
ｄｐ／λｐ＝｛（ＴＳ−ＴＷ）／（ＴＴＣ−ＴＷ）｝（１／ｈＷ＋ｗ／λＭｏｌｄ）−１／ｈＷ−ｘＭｏｌｄ／λＭｏｌｄ−ＲＩｎｔ−ｄｓｈ／λｓｈ    …（６）
のように整理して、モールドフラックスフィルムの厚みｄｐを、次の（７）式
2005007460.tif 000004
により求める。但し、
Ｃ１＝（ＴＳ−ＴＷ）（１／ｈＷ＋ｗ／λＭｏｌｄ）λｐ                …（８）
Ｃ２＝（１／ｈＷ＋ｘＭｏｌｄ／λＭｏｌｄ＋ＲＩｎｔ＋ｄｓｈ／λｓｈ）λｐ      …（９）
一方、測温時点における凝固殻の厚みｄｓｈは、凝固定数ｋを用いて、次式
ｄｓｈ＝ｋ√（Ｌ／Ｖｃ）                                    …（１０）
のように表わすことができる。
【００２７】
モールドフラックスフィルムの厚みｄｐがｄｐ１からｄｐ２に変化した場合の変動分Δｄｐと、凝固殻の厚みｄｓｈの比Δｄｐ／ｄｓｈは、
2005007460.tif 000005
のように求めることができる。
【００２８】
ここで、ＴＴＣ２＝ＴＴＣ１＋ΔＴとおくと、上記（１２）式は、
2005007460.tif 000006
のように表わすことができる。但し、ΔＴ≪ＴＴＣとする。
【００２９】
従って、この（１３）式に前記（８）式を代入すると、次の（１４）式に示す関係式
Δｄｐ／ｄｓｈ＝ｋ−１√（Ｖｃ／Ｌ）｛（ＴＳ−ＴＷ）λｐ／（ＴＴＣ−ＴＷ）２｝×（１／ｈＷ＋ｗ／λＭｏｌｄ）ΔＴ    …（１４）
が得られる。
【００３０】
なお、実用上は時間的に連続する２つの時刻ｔｉ、ｔｉ＋Δｔの各測温値Ｔｉ、Ｔｉ＋１を、次の（１５）式、（１６）式
ΔＴ＝Ｔｉ＋１−Ｔｉ                                      …（１５）
ＴＴＣ＝（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２                              …（１６）
により適用して、次の（１４Ａ）式とする。
【００３１】
Δｄｐ／ｄｓｈ＝ｋ−１√（Ｖｃ／Ｌ）〔（Ｔｉ＋１−Ｔｉ）（ＴＳ−ＴＷ）λｐ／｛（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２−ＴＷ｝２〕（１／ｈＷ＋ｗ／λＭｏｌｄ）ΔＴ…（１４Ａ）
【００３２】
この（１４Ａ）式をみると、鋳造条件と設備条件で与えられる項と、デプレッションと凝固殻の厚みに起因する項とに分離することができ、デプレッションと凝固殻の厚みに起因する項により構成される次式
Ｚ＝（Ｔｉ＋１−Ｔｉ）／［｛（Ｔｉ＋１＋Ｔｉ）／２−Ｔｗ｝２ｄｓｈ×Δｔ］…（１Ａ）
が得られ、又、この式に前記（１０）式の関係が適用された前記（１）式を得るに至った。
【００３３】
又、縦割れ発生の限界値ＺＰを表わす前記（２）式の分子は、数多くの調査から実験的に求めた値であり、分母は（１４）式中の測温素子による測温条件、鋳造条件と設備条件で与えられる項を用いて補正するために付加したものである。
【００３４】
以上の考えに基づいて導いた（１）式のパラメータＺと、（２）式で設定される限界値ＺＰを、実際の連続鋳造に適用することにより、連続鋳造中に鋳片の縦割れ発生を正確に検知することができた。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の表面欠陥検知方法を、実際に適用した結果について説明する。
【００３６】
図２には、本発明におけるパラメータＺとデプレッション並びに縦割れ発生との関係を示す。パラメータＺの値が増加するに従い、該当箇所においてデプレッション、縦割れ発生が観察された。このときの操業条件は、以下のとおりである。
【００３７】
鋼種：                      ０．０８−０．１４％Ｃ普通鋼
鋳造速度：                  １．０−３．０ｍ／ｍｉｎ
鋳型厚み（スリット−鋳型壁面）：１０−２５ｍｍ
鋳型幅：                    ８００−２０００ｍｍ
鋳型長：                    ９００ｍｍ
測温素子：                  Ｋ−熱電対
測温素子埋め込み位置：      湯面から６０ｍｍ−鋳型下端から２０ｍｍ
測温素子幅方向間隔：        ４０−１４０ｍｍ
銅板熱伝導率：              ２８０Ｗ／ｍＫ
ｋ：                        ２５ｍ／ｍｉｎ１／２
ｗ：                        ０．００４ｍ
ｈＷ：                        ２８０００Ｗ／ｍ２Ｋ
モールドフラックス熱伝導率：１．３０Ｗ／ｍＫ
【００３８】
図３は測温素子の幅方向の埋設間隔と縦割れ検出失敗指数の関係図である。縦割れ検出失敗指数の定義は、鋳片長さ１０００ｍあたりの検知できなかった縦割れの数である。この図３の結果から、測温素子の間隔は最大でも１００ｍｍ以下であることが必要と考えられ、これ以上の間隔では縦割れを見逃す恐れがあることが分る。
【００３９】
図４は熱電対の幅方向間隔が８１ｍｍで、溶鋼面からの位置（Ｌ）が１９０ｍｍ、鋳造速度（Ｖｃ）が１．７０ｍ／ｍｉｎのときに、本発明を適用した結果を、横軸に時間、縦軸に熱電対幅方向位置（熱電対番号）をとり、パラメータＺの大小（０から３．０×１０−５までの値の範囲）を濃淡で示した図である。この図には、時間的あるいは空間的に隣接してＺの値が特定の範囲にある場合には、その領域を同じ濃さで表示している。この結果から、縦割れ位置の特定と、その周辺のデプレッションと凝固殻の厚みの比（Δｄｐ／ｄｓｈ）を図示することができ、縦割れの前駆現象の検出も可能であることがわかる。
【００４０】
図５は熱電対の幅方向間隔が８１ｍｍ、溶鋼面からの位置（Ｌ）が１９０ｍｍで、鋳造速度（Ｖｃ）を１．５０ｍ／ｍｉｎから１．９４ｍ／ｍｉｎに増速しているときに、本発明を適用した結果を、横軸に時間、縦軸に熱電対幅方向位置をとり、パラメータＺの大小を濃淡で示した図である。この場合も、上記図４と同様の結果が得られた。
【００４１】
以上のとおり、本発明によれば、連続鋳造における縦割れの検出をオンラインにおいて高い精度で行なうことができる。実際の操業においては、ほぼ１００％の縦割れあるいはその前駆現象を検知することができた。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、連続鋳造中に鋳片の縦割れ欠陥の発生を確実に検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る表面欠陥検知方法に適用されるパラメータＺの導出に使用する鋳造環境のモデルを示す模式図
【図２】本発明におけるパラメータと縦割れ発生の閾値及びデプレションとの関係を示すグラフ
【図３】本発明における縦割れ検出失敗指数と測温素子の幅方向間隔との関係を示すグラフ
【図４】連続鋳造時の測定結果から算出された鋳型幅方向及び鋳造時間に対するパラメータＺの大小を示したグラフ
【図５】連続鋳造時の測定結果から算出された鋳型幅方向及び鋳造時間に対するパラメータＺの大小を示した他のグラフ
【符号の説明】
１０…鋳型銅板
１２…冷却スリット
１４…凝固殻
１６…モールドフラックスフィルム
１８…測温素子
【図１】
2005007460.tif 000007
【図２】
2005007460.tif 000008
【図３】
2005007460.tif 000009
【図４】
2005007460.tif 000010
【図５】
2005007460.tif 000011